Содержание
Закон Ома для полной цепи и для участка цепи: формулы, описание и объяснение
Профессиональному электрику, специалисту электронщику никак не обойти в собственной деятельности закон Ома, решая любые задачи, связанные с наладкой, настройкой, ремонтом электронных и электрических схем.
Собственно, понимание этого закона необходимо каждому. Потому что каждому в быту приходится иметь дело с электричеством.
И хотя учебным курсом средней школы закон немецкого физика Ома и предусмотрен, но на практике не всегда своевременно изучается. Поэтому рассмотрим в нашем материале такую актуальную для жизни тему и разберемся с вариантами записи формулы.
Содержание статьи:
- Отдельный участок и полная электрическая цепь
- Расчет тока участка электрической схемы
- Вариант расчета для полной цепи
- Рассмотрение действия закона к переменной величине
- Последовательное и параллельное включение элементов
- Цепь последовательно включенных резистивных элементов
- Цепь параллельно включенных резистивных элементов
- Интегральная и дифференциальная формы закона
- Выводы и полезное видео по теме
Отдельный участок и полная электрическая цепь
Рассматривая электрическую цепь с точки зрения применения к схеме закона Ома, следует отметить два возможных варианта расчета: для отдельно взятого участка и для полноценной схемы.
Расчет тока участка электрической схемы
Участком электрической цепи, как правило, рассматривается часть схемы, исключающая источник ЭДС, как обладающий дополнительным внутренним сопротивлением.
Поэтому расчетная формула, в данном случае, выглядит просто:
I = U/ R,
Где, соответственно:
- I – сила тока;
- U – приложенное напряжение;
- R – сопротивление.
Трактовка формулы простая – ток, протекающий по некоему участок цепи, пропорционален приложенному к нему напряжению, а сопротивлению – обратно пропорционален.
Так называемая графическая «ромашка», посредством которой представлен весь набор вариаций формулировок, основанных на законе Ома. Удобный инструмент для карманного хранения: сектор «P» — формулы мощности; сектор «U» — формулы напряжения; сектор «I» — формулы тока; сектор «R» — формулы сопротивления
Таким образом, формулой чётко описывается зависимость протекания тока по отдельному участку электрической цепи относительно определенных значений напряжения и сопротивления.
Формулой удобно пользоваться, например, рассчитывая параметры сопротивления, которое требуется впаять в схему, если заданы напряжение с током.
Закон Ома и два следствия, которыми необходимо владеть каждому профессиональному электромеханику, инженеру-электрику, электронщику и всем, кто связан с работой электрических цепей. Слева направо: 1 — определение тока; 2 — определение сопротивления; 3 — определение напряжения, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление
Вышеприведенный рисунок поможет определить, например ток, протекающий через 10-омное сопротивление, к которому приложено напряжение 12 вольт. Подставив значения, найдем – I = 12 / 10 = 1.2 ампера.
Аналогично решаются задачи поиска сопротивления (когда известны ток с напряжением) или напряжения (когда известны напряжение с током).
Тем самым всегда можно подобрать требуемое рабочее напряжение, нужную силу тока и оптимальный резистивный элемент.
Формула, которой предложено пользоваться, не требует учитывать параметры источника напряжения.
Однако, схема, содержащая, например, аккумулятор, будет рассчитываться по другой формуле. На схеме: А – включение амперметра; V – включение вольтметра.
Кстати, соединительные провода любой схемы – это сопротивления. Величина нагрузки, которую им предстоит нести, определяется напряжением.
Соответственно, опять же пользуясь законом Ома, становится допустимым точный подбор необходимого сечения проводника, в зависимости от материала жилы.
У нас на сайте есть подробная инструкция по по мощности и току.
Вариант расчета для полной цепи
Полноценную цепь составляет уже участок (участки), а также источник ЭДС. То есть, фактически к существующему резистивному компоненту участка цепи добавляется внутреннее сопротивление источника ЭДС.
Поэтому логичным является некоторое изменение выше рассмотренной формулы:
I = U / (R + r)
Конечно, значение внутреннего сопротивления ЭДС в законе Ома для полной электрической цепи можно считать ничтожно малым, правда во многом это значение сопротивления зависит от структуры источника ЭДС.
Тем не менее, при расчетах сложных электронных схем, электрических цепей с множеством проводников, наличие дополнительного сопротивления является важным фактором.
Для расчетов в условиях полноценной электрической цепи всегда берется к учету резистивное значение источника ЭДС. Это значение суммируется с резистивным сопротивлением непосредственно электрической цепи. На схеме: I — прохождение тока; R — резистивный элемент внешний; r — резистивный фактор ЭДС (источника энергии)
Как для участка цепи, так и для полной схемы следует учитывать естественный момент – использование тока постоянной или переменной величины.
Если отмеченные выше моменты, характерные для закона Ома, рассматривались с точки зрения использования постоянного тока, соответственно с переменным током всё выглядит несколько иначе.
Рассмотрение действия закона к переменной величине
Понятие «сопротивление» к условиям прохождения переменного тока следует рассматривать уже больше как понятие «импеданса».
Здесь имеется в виду сочетание активной резистивной нагрузки (Ra) и нагрузки, образованной реактивным резистором (Rr).
Обусловлены подобные явления параметрами индуктивных элементов и законами коммутации применительно к переменной величине напряжения — синусоидальной величине тока.
Такой видится эквивалентная схема электрической цепи переменного тока под расчет с применением формулировок, исходящих из принципов закона Ома: R — резистивная составляющая; С — емкостная составляющая; L — индуктивная составляющая; ЭДС -источник энергии; I -прохождение тока
Другими словами, имеет место эффект опережения (отставания) токовых значений от значений напряжения, что сопровождается появлением активной (резистивной) и реактивной (индуктивной или емкостной) мощностей.
Расчёт подобных явлений ведётся при помощи формулы:
Z = U / I или Z = R + J * (XL — XC)
где: Z – импеданс; R – активная нагрузка; XL , XC – индуктивная и емкостная нагрузка; J – коэффициент.
Последовательное и параллельное включение элементов
Для элементов электрической цепи (участка цепи) характерным моментом является последовательное либо параллельное соединение.
Соответственно, каждый вид соединения сопровождается разным характером течения тока и подводкой напряжения. На этот счёт закон Ома также применяется по-разному, в зависимости от варианта включения элементов.
Цепь последовательно включенных резистивных элементов
Применительно к последовательному соединению (участку цепи с двумя компонентами) используется формулировка:
- I = I1 = I2 ;
- U = U1 + U2 ;
- R = R1 + R2
Такая формулировка явно демонстрирует, что, независимо от числа последовательно соединенных резистивных компонентов, ток, текущий на участке цепи, не меняет значения.
Соединение резистивных элементов на участке схемы последовательно один с другим.
Для этого варианта действует свой закон расчета. На схеме: I, I1, I2 — прохождение тока; R1, R2 — резистивные элементы; U, U1, U2 — приложенное напряжение
Величина напряжения, приложенного к действующим резистивным компонентам схемы, является суммой и составляет в целом значение источника ЭДС.
При этом напряжение на каждом отдельном компоненте равно: Ux = I * Rx.
Общее сопротивление следует рассматривать как сумму номиналов всех резистивных компонентов цепи.
Цепь параллельно включенных резистивных элементов
На случай, когда имеет место параллельное включение резистивных компонентов, справедливой относительно закона немецкого физика Ома считается формулировка:
- I = I1 + I2 … ;
- U = U1 = U2 … ;
- 1 / R = 1 / R1 + 1 / R2 + …
Не исключаются варианты составления схемных участков «смешанного» вида, когда используется параллельное и последовательное соединение.
Соединение резистивных элементов на участке цепи параллельно один с другим. Для этого варианта применяется свой закон расчета. На схеме: I, I1, I2 — прохождение тока; R1, R2 — резистивные элементы; U — подведённое напряжение; А, В — точки входа/выхода
Для таких вариантов расчет обычно ведется изначальным расчетом резистивного номинала параллельного соединения. Затем к полученному результату добавляется номинал резистора, включенного последовательно.
Интегральная и дифференциальная формы закона
Все вышеизложенные моменты с расчетами применимы к условиям, когда в составе электрических схем используются проводники, так сказать, «однородной» структуры.
Между тем на практике нередко приходится сталкиваться с построением схематики, где на различных участках структура проводников меняется. К примеру, используются провода большего сечения или, напротив, меньшего, сделанные на основе разных материалов.
Для учёта таких различий существует вариация, так называемого, «дифференциально-интегрального закона Ома».
Для бесконечно малого проводника рассчитывается уровень плотности тока в зависимости от напряженности и величины удельной проводимости.
Под дифференциальный расчет берется формула: J = ό * E
Для интегрального расчета, соответственно, формулировка: I * R = φ1 – φ2 + έ
Однако эти примеры скорее уже ближе к школе высшей математики и в реальной практике простого электрика фактически не применяются.
Выводы и полезное видео по теме
Подробный разбор закона Ома в видеоролике, представленном ниже, поможет окончательно закрепить знания в этом направлении.
Своеобразный видеоурок качественно подкрепляет теоретическое письменное изложение:
Работа электрика или деятельность электронщика неотъемлемо связана с моментами, когда реально приходится наблюдать закон Георга Ома в действии. Это своего рода прописные истины, которые следует знать каждому профессионалу.
Объёмных знаний по данному вопросу не требуется — достаточно выучить три основных вариации формулировки, чтобы успешно применять на практике.
Хотите дополнить изложенный выше материал ценными замечаниями или выразить свое мнение? Пишите, пожалуйста, комментарии в блоке под статьей. Если у вас остались вопросы, не стесняйтесь задавать их нашим экспертам.
Закон Ома — формулировка простыми словами, определение
Сопротивление
Представьте, что есть труба, в которую затолкали камни. Вода, которая протекает по этой трубе, станет течь медленнее, потому что у нее появилось сопротивление. Точно также будет происходить с электрическим током.
Сопротивление — физическая величина, которая показывает способность проводника пропускать электрический ток. Чем выше сопротивление, тем ниже эта способность.
Теперь сделаем «каменный участок» длиннее, то есть добавим еще камней.
Воде будет еще сложнее течь.
Сделаем трубу шире, оставив количество камней тем же — воде полегчает, поток увеличится.
Теперь заменим шероховатые камни, которые мы набрали на стройке, на гладкие камушки из моря. Через них проходить тоже легче, а значит сопротивление уменьшается.
Электрический ток реагирует на эти параметры аналогичным образом: при удлинении проводника сопротивление увеличивается, при увеличении поперечного сечения (ширины) проводника сопротивление уменьшается, а если заменить материал — изменится в зависимости от материала.
Эту закономерность можно описать следующей формулой:
Сопротивление R = ρ · l/S R — сопротивление [Ом] l — длина проводника [м] S — площадь поперечного сечения [мм2] ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м] |
Единица измерения сопротивления — ом.
Названа в честь физика Георга Ома.
Будьте внимательны!
Площадь поперечного сечения проводника и удельное сопротивление содержат в своих единицах измерения мм2. В таблице удельное сопротивление всегда дается в такой размерности, да и тонкий проводник проще измерять в мм2. При умножении мм2 сокращаются и мы получаем величину в СИ.
Но это не отменяет того, что каждую задачу нужно проверять на то, что там мм2 в обеих величинах! Если это не так, то нужно свести не соответствующую величину к мм2.
Знайте!
СИ — международная система единиц. «Перевести в СИ» означает перевод всех величин в метры, килограммы, секунды и другие единицы измерения без приставок. Исключение составляет килограмм с приставкой «кило».
Удельное сопротивление проводника — это физическая величина, которая показывает способность материала пропускать электрический ток.
Это табличная величина, она зависит только от материала.
Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Таблица удельных сопротивлений различных материалов
Материал | Удельное сопротивление ρ, Ом · мм2/м |
Алюминий | 0,028 |
Бронза | 0,095–0,1 |
Висмут | 1,2 |
Вольфрам | 0,05 |
Железо | 0,1 |
Золото | 0,023 |
Иридий | 0,0474 |
Константан (сплав NiCu + Mn) | 0,5 |
Латунь | 0,025–0,108 |
Магний | 0,045 |
Манганин (сплав меди марганца и никеля — приборный) | 0,43–0,51 |
Медь | 0,0175 |
Молибден | 0,059 |
Нейзильбер (сплав меди, цинка и никеля) | 0,2 |
Натрий | 0,047 |
Никелин (сплав меди и никеля) | 0,42 |
Никель | 0,087 |
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца) | 1,05–1,4 |
Олово | 0,12 |
Платина | 0,107 |
Ртуть | 0,94 |
Свинец | 0,22 |
Серебро | 0,015 |
Сталь | 0,103–0,137 |
Титан | 0,6 |
Хромаль | 1,3–1,5 |
Цинк | 0,054 |
Чугун | 0,5–1,0 |
Резистор
Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным.
В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.
Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.
Вот так резистор изображается на схемах:
В школьном курсе физики используют европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.
Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:
Полосочки на нем показывают его сопротивление.
На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:
Источник: сайт компании Ekits
О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.
Реостат
Есть такие выключатели, которые крутишь, а они делают свет ярче-тусклее. В такой выключатель спрятан резистор с переменным сопротивлением — реостат.
Стрелка сверху — это ползунок. По сути, он отсекает ту часть резистора, которая находится от него справа. То есть, если мы двигаем ползунок вправо — мы увеличиваем длину резистора, а значит и сопротивление. И наоборот — двигаем влево и уменьшаем.
По формуле сопротивления это очень хорошо видно, так как длина проводника находится в числителе:
Сопротивление R = ρ · l/S R — сопротивление [Ом] l — длина проводника [м] S — площадь поперечного сечения [мм2] ρ — удельное сопротивление [Ом · мм2/м] |
Закон Ома для участка цепи
С камушками в трубе все понятно, но не только же от них зависит сила, с которой поток воды идет по трубе — от насоса, которым мы эту воду качаем, тоже зависит.
Чем сильнее качаем, тем больше течение. В электрической цепи функцию насоса выполняет источник тока.
Например, источником может быть гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. В результате этих реакций выделяется энергия, которая потом передается электрической цепи.
У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения, по сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «−».
У нас уже есть две величины, от которых зависит электрический ток в цепи — напряжение и сопротивление. Кажется, пора объединять их в закон.
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Математически его можно описать вот так:
Закон Ома для участка цепи I = U/R I — сила тока [A] U — напряжение [В] R — сопротивление [Ом] |
Напряжение измеряется в Вольтах и показывает разницу между двумя точками цепи: от этой разницы зависит, насколько сильно будет течь ток — чем больше разница, тем выше напряжение и ток будет течь сильнее.
Сила тока измеряется в амперах, а подробнее о ней вы можете прочитать в нашей статье. 😇
Давайте решим несколько задач на закон Ома для участка цепи.
Задача раз
Найти силу тока в лампочке накаливания торшера, если его включили в сеть напряжением 220 В, а сопротивление нити накаливания равно 880 Ом.
Решение:
Возьмем закон Ома для участка цепи:
I = U/R
Подставим значения:
I = 220/880 = 0,25 А
Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, равна 0,25 А
Давайте усложним задачу. И найдем силу тока, зная все параметры для вычисления сопротивления и напряжение.
Задача два
Найти силу тока в лампочке накаливания, если торшер включили в сеть напряжением 220 В, а длина нити накаливания равна 0,5 м, площадь поперечного сечения 0,01 мм2, а удельное сопротивление нити равно 1,05 Ом · мм2/м.
Решение:
Сначала найдем сопротивление проводника.
R = ρ · l/S
Площадь дана в мм2, а удельное сопротивления тоже содержит мм2 в размерности.
Это значит, что все величины уже даны в СИ и перевод не требуется:
R = 1,05 · 0,5/0,01 = 52,5 Ом
Теперь возьмем закон Ома для участка цепи:
I = U/R
Подставим значения:
I = 220/52,5 ≃ 4,2 А
Ответ: сила тока, проходящего через лампочку, приблизительно равна 4,2 А
А теперь совсем усложним! Определим материал, из которого изготовлена нить накаливания.
Задача три
Из какого материала изготовлена нить накаливания лампочки, если настольная лампа включена в сеть напряжением 220 В, длина нити равна 0,5 м, площадь ее поперечного сечения равна 0,01 мм2, а сила тока в цепи — 8,8 А
Решение:
Возьмем закон Ома для участка цепи и выразим из него сопротивление:
I = U/R
R = U/I
Подставим значения и найдем сопротивление нити:
R = 220/8,8 = 25 Ом
Теперь возьмем формулу сопротивления и выразим из нее удельное сопротивление материала:
R = ρ · l/S
ρ = RS/l
Подставим значения и получим:
ρ = 25 · 0,01/0,5 = 0,5 Ом · мм2/м
Обратимся к таблице удельных сопротивлений материалов, чтобы выяснить, из какого материала сделана эта нить накаливания.
Ответ: нить накаливания сделана из константана.
Закон Ома для полной цепи
Мы разобрались с законом Ома для участка цепи. А теперь давайте узнаем, что происходит, если цепь полная: у нее есть источник, проводники, резисторы и другие элементы.
В таком случае вводится закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Так, стоп. Слишком много незнакомых слов — разбираемся по порядку.
Что такое ЭДС и откуда она берется
ЭДС расшифровывается, как электродвижущая сила. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в Вольтах.
ЭДС — это сила, которая движет заряженные частицы в цепи. Она берется из источника тока. Например, из батарейки.
Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь.
Именно эта энергия заставляет частицы двигаться по проводнику.
Зачастую напряжение и ЭДС приравнивают и говорят, что это одно и то же. Формально, это не так, но при решении задач чаще всего и правда нет разницы, так как эти величины обе измеряются в Вольтах и определяют очень похожие по сути своей процессы.
В виде формулы Закон Ома для полной цепи будет выглядеть следующим образом:
Закон Ома для полной цепи I — сила тока [A] ε — ЭДС [В] R — сопротивление нагрузки [Ом] r — внутреннее сопротивление источника [Ом] |
Любой источник не идеален.
В задачах это возможно («источник считать идеальным», вот эти вот фразочки), но в реальной жизни — точно нет. В связи с этим у источника есть внутреннее сопротивление, которое мешает протеканию тока.
Решим задачу на полную цепь.
Задачка
Найти силу тока в полной цепи, состоящей из одного резистора сопротивлением 3 Ом и источником с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом
Решение:
Возьмем закон Ома для полной цепи:
Подставим значения:
A
Ответ: сила тока в цепи равна 1 А.
Когда «сопротивление бесполезно»
Электрический ток — умный и хитрый парень. Если у него есть возможность обойти резистор и пойти по идеальному проводнику без сопротивления, он это сделает.
При этом с резисторами просто разных номиналов это не сработает: он не пойдет просто через меньшее сопротивление, а распределится согласно закону Ома — больше тока пойдет туда, где сопротивление меньше, и наоборот.
А вот на рисунке ниже сопротивление цепи равно нулю, потому что ток через резистор не пойдет.
Ток идет по пути наименьшего сопротивления.
Теперь давайте посмотрим на закон Ома для участка цепи еще раз.
Закон Ома для участка цепи I = U/R I — сила тока [A] U — напряжение [В] R — сопротивление [Ом] |
Подставим сопротивление, равное 0.
Получается, что знаменатель равен нулю, а на математике говорят, что на ноль делить нельзя. Но мы вам раскроем страшную тайну, только не говорите математикам: на ноль делить можно. Если совсем упрощать такое сложное вычисление (а именно потому что оно сложное, мы всегда говорим, что его нельзя производить), то получится бесконечность.
То есть:
I = U/0 = ∞
Такой случай называют коротким замыканием — когда величина силы тока настолько велика, что можно устремить ее к бесконечности. В таких ситуациях мы видим искру, бурю, безумие — и все ломается.
Это происходит, потому что две точки цепи имеют между собой напряжение (то есть между ними есть разница). Это как если вдоль реки неожиданно появляется водопад. Из-за этой разницы возникает искра, которую можно избежать, поставив в цепь резистор.
Именно во избежание коротких замыканий нужно дополнительное сопротивление в цепи.
Параллельное и последовательное соединение
Все это время речь шла о цепях с одним резистором. Рассмотрим, что происходит, если их больше.
Что такое закон Ома? | Fluke
Закон Ома — это формула, используемая для расчета соотношения между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.
Для студентов, изучающих электронику, закон Ома (E = IR) так же важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков.
E = I x R
При расшифровке это означает напряжение = ток x сопротивление , или вольт = ампер x ом , или В = А x Ом .
Названный в честь немецкого физика Георга Ома (1789-1854), закон Ома касается ключевых величин, действующих в цепях: цепи
Если два из этих значений известны, технические специалисты могут изменить закон Ома для расчета третьего. Просто измените пирамиду следующим образом:
Если вы знаете напряжение (E) и силу тока (I) и хотите знать сопротивление (R), уменьшите X R в пирамиде и рассчитайте оставшееся уравнение (см. первое или последнее уравнение). слева, пирамида вверху).
Примечание: Сопротивление нельзя измерить в работающей цепи, поэтому закон Ома особенно полезен, когда его необходимо рассчитать. Вместо того, чтобы отключать цепь для измерения сопротивления, технический специалист может определить R, используя приведенный выше вариант закона Ома.
Теперь, если вы знаете напряжение (E) и сопротивление (R) и хотите узнать ток (I), вычеркните X из I и вычислите оставшиеся два символа (см. среднюю пирамиду выше).
А если вы знаете ток (I) и сопротивление (R) и хотите знать напряжение (E), умножьте нижние половины пирамиды (см.
третью, или крайнюю правую, пирамиду вверху).
Попробуйте выполнить несколько расчетов на основе простой последовательной цепи, включающей только один источник напряжения (батарея) и сопротивление (свет). В каждом примере известны два значения. Используйте закон Ома, чтобы вычислить третий.
Пример 1: Напряжение (E) и сопротивление (R) известны.
Какой ток в цепи?
I = E/R = 12 В/6 Ом = 2 А
Пример 2: Напряжение (E) и ток (I) известны.
Какое сопротивление создает лампа?
R = E/I = 24 В/6 А = 4 Ом
Пример 3: Ток (I) и сопротивление (R) известны. Какое напряжение?
Какое напряжение в цепи?
E = I x R = (5A)(8Ω) = 40 В
Когда Ом опубликовал свою формулу в 1827 году, его ключевой вывод заключался в том, что количество электрического тока, протекающего через проводник, равно прямо пропорционально приложенному к нему напряжению.
Другими словами, требуется один вольт давления, чтобы протолкнуть один ампер тока через сопротивление в один ом.
Что проверять с помощью закона Ома
Закон Ома можно использовать для проверки статических значений компонентов схемы, уровней тока, источников напряжения и падения напряжения. Если, например, контрольно-измерительный прибор обнаруживает измеренный ток выше нормального, это может означать, что сопротивление уменьшилось или напряжение увеличилось, что привело к возникновению ситуации с высоким напряжением. Это может указывать на проблему с питанием или цепью.
В цепях постоянного тока (постоянного тока) измерение тока ниже нормального может означать, что напряжение уменьшилось или сопротивление цепи увеличилось. Возможными причинами повышенного сопротивления являются плохие или ослабленные соединения, коррозия и/или поврежденные компоненты.
Нагрузки в цепи потребляют электрический ток. Нагрузками могут быть любые компоненты: небольшие электрические устройства, компьютеры, бытовая техника или большой двигатель.
К большинству этих компонентов (нагрузок) прикреплена заводская табличка или информационная наклейка. Эти паспортные таблички содержат сертификаты безопасности и несколько идентификационных номеров.
Технические специалисты обращаются к паспортным табличкам на компонентах, чтобы узнать стандартные значения напряжения и силы тока. Если во время тестирования техники обнаруживают, что обычные значения не регистрируются на их цифровых мультиметрах или токоизмерительных клещах, они могут использовать закон Ома, чтобы определить, какая часть цепи дает сбой, и исходя из этого определить, в чем может заключаться проблема.
Основы науки о цепях
Цепи, как и вся материя, состоят из атомов. Атомы состоят из субатомных частиц:
- Протоны (с положительным электрическим зарядом)
- Нейтроны (бесзарядные)
- Электроны (отрицательно заряженные)
Атомы остаются связанными силами притяжения между ядром атома и электронами в его внешней оболочке.
Под влиянием напряжения атомы в цепи начинают реформироваться, и их компоненты проявляют потенциал притяжения, известный как разность потенциалов. Взаимно притягивающиеся свободные электроны движутся навстречу протонам, создавая поток электронов (ток). Любой материал в цепи, который ограничивает этот поток, считается сопротивлением.
Ссылка: Принципы цифрового мультиметра Глена А. Мазура, American Technical Publishers.
Связанные статьи
- Устранение неполадок в неисправных двигателях с помощью проверки сопротивления изоляции
- Безопасность электрических испытаний – подготовка к испытаниям без напряжения
Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
- Главная
- Учебники
- Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
≡ Страниц
Авторы:
CTaylor
Избранное
Любимый
128
Основы электричества
Приступая к изучению мира электричества и электроники, очень важно начать с понимания основ напряжения, силы тока и сопротивления.
Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Поначалу эти концепции может быть трудно понять, потому что мы не можем их «видеть». Нельзя невооруженным глазом увидеть энергию, текущую по проводу, или напряжение батареи, лежащей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле является не обменом энергией, происходящим от облаков к земле, а реакцией воздуха на проходящую через него энергию. Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать инструменты измерения, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать то, что происходит с зарядом в системе. Не бойтесь, однако, этот учебник даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении и о том, как они связаны друг с другом.
Георг Ом
Рассмотрено в этом руководстве
- Как электрический заряд связан с напряжением, током и сопротивлением.
- Что такое напряжение, ток и сопротивление.
- Что такое закон Ома и как с его помощью понять электричество.
- Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.
Рекомендуемая литература
- Что такое электричество
- Что такое цепь?
 
Электрический заряд
Электричество — это движение электронов. Электроны создают заряд, который мы можем использовать для совершения работы. Ваша лампочка, ваша стереосистема, ваш телефон и т. д. используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.
Три основных принципа этого руководства можно объяснить, используя электроны, или, точнее, создаваемый ими заряд:
- Напряжение — это разница заряда между двумя точками.
- Ток — это скорость, с которой течет заряд.
- Сопротивление — это способность материала сопротивляться потоку заряда (току).
Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы на самом деле описываем движение заряда и, таким образом, поведение электронов. Цепь представляет собой замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты в цепи позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для выполнения работы.
Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество. Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением. Итак, давайте начнем с напряжения и пойдем оттуда.
Напряжение
Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка имеет больший заряд, чем другая. Эта разница заряда между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциалов между двумя точками, которые передают один джоуль энергии на кулон проходящего через них заряда (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено).
Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение обозначается в уравнениях и схемах буквой «V».
При описании напряжения, тока и сопротивления часто используется аналогия с резервуаром для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды , напряжение представлен водой давлением , а ток представлен потоком воды . Итак, для этой аналогии запомните:
- Вода = Зарядка
- Давление = Напряжение
- Поток = Текущий
Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей. На дне этого бака есть шланг.
Давление на конце шланга может представлять собой напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше заряд, тем большее давление измеряется на конце шланга.
Мы можем думать об этом резервуаре как о батарее, месте, где мы храним определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее.
18 электронов (1 кулон) в секунду, проходящих через точку цепи. Усилители представлены в уравнениях буквой «I».
Допустим, у нас есть два бака, к каждому из которых подходит шланг снизу. В каждом баке одинаковое количество воды, но шланг одного бака уже, чем шланг другого.
Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше расхода воды в баке с более широким шлангом. В электрических терминах ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (зарядку) в баке с более узким шлангом.
Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через резервуар. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.
Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током. Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга.
В этой аналогии ширина шланга является сопротивлением. Это означает, что нам нужно добавить еще один член в нашу модель:
- Вода = заряд (измеряется в кулонах)
- Давление = Напряжение (измеряется в вольтах)
- Поток = ток (измеряется в амперах или для краткости «ампер»)
- Ширина шланга = сопротивление
Сопротивление
Рассмотрим еще раз наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой трубой.
Само собой разумеется, что через узкую трубу нельзя пропустить такой же объем, как через более широкую при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, хотя вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой. 918 электронов. Это значение обычно обозначается на схемах греческой буквой «Ω», которая называется омега и произносится как «ом».
Закон Ома
Объединив элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом вывел формулу:
Где
- В = напряжение в вольтах
- I = ток в амперах
- R = сопротивление в омах
Это называется законом Ома.
Допустим, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом. Используя закон Ома, мы можем сказать:
Допустим, это наш бак с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 вольт, а «узость» (сопротивление течению) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам поток (ток) в 1 ампер.
Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на бак с узким шлангом. Поскольку шланг уже, его сопротивление потоку выше. Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом равно 9.0005
Но какой ток? Так как сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 ампер:
Итак, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы можем видеть, что если мы знаем два значения закона Ома, мы можем найти третье. Продемонстрируем это на эксперименте.
Эксперимент по закону Ома
В этом эксперименте мы хотим использовать 9-вольтовую батарею для питания светодиода.
Светодиоды хрупкие, и через них может протекать только определенное количество тока, прежде чем они сгорят. В документации на светодиод всегда будет «номинальный ток». Это максимальное количество тока, которое может протекать через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.
Необходимые материалы
Для выполнения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам понадобятся:
- Мультиметр
- Аккумулятор 9 В
- Резистор 560 Ом (или следующее ближайшее значение)
- Светодиод
ПРИМЕЧАНИЕ. Светодиоды известны как «неомические» устройства. Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V=IR. Светодиод вносит в цепь то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину тока, протекающего через нее. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрежем токовыми характеристиками светодиода и выберем значение резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.
В этом примере у нас есть 9-вольтовая батарея и красный светодиод с номинальным током 20 миллиампер или 0,020 ампер. Чтобы быть в безопасности, мы бы предпочли не управлять светодиодом с его максимальным током, а скорее рекомендуемым током, который указан в его спецификации как 18 мА или 0,018 ампер. Если мы просто подключим светодиод непосредственно к батарее, значения для закона Ома будут выглядеть так:
, следовательно:
и, поскольку у нас еще нет сопротивления:
Деление на ноль дает нам бесконечный ток! Ну, на практике не бесконечный, а столько тока, сколько может выдать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через наш светодиод протекал такой большой ток, нам понадобится резистор. Наша схема должна выглядеть так:
Точно так же мы можем использовать закон Ома, чтобы определить сопротивление резистора, которое даст нам желаемое значение тока:
следовательно:
подставив наши значения:
вычислив сопротивление:
Итак, нам нужен сопротивление резистора около 500 Ом, чтобы ток через светодиод оставался ниже максимального номинального тока.
500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор на 560 Ом. Вот как выглядит наше устройство в собранном виде.
Успех! Мы выбрали сопротивление резистора, достаточно высокое, чтобы ток через светодиод оставался ниже его максимального номинала, но достаточно низкое, чтобы тока было достаточно, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.
Этот пример со светодиодом и токоограничивающим резистором часто встречается в любительской электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего через цепь. Другой пример этой реализации можно увидеть в светодиодных платах LilyPad.
При такой конфигурации вместо выбора резистора для светодиода резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без добавления резистора вручную.
Ограничение тока до или после светодиода?
Чтобы немного усложнить ситуацию, вы можете разместить токоограничивающий резистор с любой стороны светодиода, и он будет работать точно так же!
Многие люди, впервые изучающие электронику, сомневаются в том, что токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода, и схема будет работать как обычно.
Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круговую, текущую реку. Если бы мы поместили в нем плотину, вся река перестала бы течь, а не только один берег. Теперь представьте, что мы помещаем в реку водяное колесо, которое замедляет течение реки. Неважно, в каком месте круга находится водяное колесо, оно все равно замедлит поток на 9-м уровне.0183 вся река .
Это упрощение, так как токоограничивающий резистор не может быть размещен где-либо в цепи ; его можно разместить на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.
Чтобы получить более научный ответ, обратимся к закону Кирхгофа о напряжении. Именно из-за этого закона токоограничивающий резистор может располагаться с любой стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и решения некоторых практических задач по использованию KVL посетите этот веб-сайт.
Ресурсы и дальнейшие действия
Теперь вы должны понимать, что такое напряжение, ток, сопротивление и как они связаны между собой.